5.2 Descripción de los componentes de la antena seleccionada
5.2.2 Resonador
Como ya introdujimos en la Propuesta de diseño, se trata de un anillo resonante con secciones de tipo C (stubs) cuya finalidad es adaptar la señal para conseguir una mejora en el ancho de banda. El resonador se encuentra ubicado sobre un material dieléctrico (en el caso inicial se defina como aire) que a su vez se sitúa justo en la parte superior del elemento radiante. Se han realizado tres pruebas: una con cuatro, otra con ocho y una última prueba con dieciséis secciones de tipo C.
Al igual que con el elemento radiante, con el objetivo de obtener unos resultados que cumplan los requisitos planteados en el apartado 4.1, es necesario optimizar las dimensiones de los parámetros del resonador que se muestran en la Figura 31. Para ello se han llevado a cabo de nuevo una gran cantidad de simulaciones con la finalidad de analizar, dentro de la banda de interés, las distintas respuestas del parámetro 𝑆11 (en amplitud y fase) con un amplio rango de variación del tamaño de
Figura 31: Parámetros optimizados durante las simulaciones
Fruto del estudio de todas las simulaciones, se ha llegado a determinar que los parámetros óptimos para el diseño del resonador, con aire por sustrato, sean los siguientes:
Tabla 4: Dimensiones de los elementos resonantes
Parámetros (mm) Resonador 4 stubs Resonador 8 stubs Resonador 16 stubs
Rreso 5,74 17,23 23,93 Sstub 0,1 0,5 0,5 Lstub 3 3,48 8,4 w 0,48 1,04 1,12 Grosor 0,035 0,035 0,035
A continuación, al igual que antes y de forma representativa de todas las simulaciones, se varía alrededor del caso mejor que se ha obtenido para el parche operando con un resonador de ocho stubs (curvas en rojo), el impacto de la variación de los parámetros bajo estudio sobre el módulo y la fase del parámetro 𝑆11 :
❖ Efecto de la variación del radio del resonador, Rreso:
Una vez analizadas todas las simulaciones, se concluye que, para obtener un valor óptimo en función del radio del resonador del anillo de ocho stubs, Delta_Rreso tiene que valer 1,8. La respuesta en amplitud para dicho parámetro es bastante plana y próxima a los -15 dB como se aprecia en la Figura 32. En el caso de aumentar dicho parámetro a 2,3, observamos que la respuesta se sigue manteniendo plana. Sin embargo, no podemos decir lo mismo si reducimos el valor de Delta_Rreso a 1,3, ya que obtenemos una mayor distorsión en el módulo de la respuesta en amplitud del parámetro 𝑆11 al tener, en el extremo de la banda (19,7 GHz), un
valor ligeramente superior a los -10 dB, lo cual se sale ya de los requisitos. Esto quiere decir que, en relación con la respuesta en amplitud, conviene que estemos en el orden del dato de partida de 1,8 o superior.
Respecto a la respuesta en fase, vemos que, en el margen de frecuencias de estudio, la respuesta en fase para el dato de partida de 1,8 es muy plana dentro de toda la banda. Si el valor de Delta_Rreso se reduce a 1,3, la respuesta en fase se degrada notablemente, observando dentro de la banda unas diferencias de unos 40º. La respuesta en fase para un tamaño de 2,3, si bien se degrada respecto del dato original de partida, no es tanto como en el caso anterior ya que la diferencia de un extremo a otro de la banda no alcanza los 20º. El efecto combinado de
5. Diseño de antena
amplitud y fase nos lleva a concluir que el valor óptimo es efectivamente el dato de 1,8. En caso de que por algún otro motivo no fuera posible mantener este valor, sería aconsejable, en cualquier caso, aumentar ligeramente el radio, ya que la respuesta se degrada mucho menos que si lo reducimos.
Figura 32: Efecto de la variación de Delta_Rreso sobre el módulo del parámetro S11
Figura 33: Efecto de la variación de Delta_Rreso sobre la fase del parámetro S11
❖ Efecto de la variación de Sstub:
Con relación al efecto de este parámetro, observamos que, para el margen de frecuencias de estudio, las variaciones de tamaño de +/- 0,5 respecto del dato escogido (Delta_Sstub = 5) no provocan apenas ninguna diferencia en las respuestas de amplitud y fase del parámetro 𝑆11. En
amplitud se puede apreciar que la respuesta se mantiene muy próxima y constante a los -15 dB en toda la banda.
La respuesta en fase se mantiene también muy plana, aunque cabe destacar que en las frecuencias altas de la banda hay un ligero aumento de la fase tanto para el aumento como para la reducción de los valores de Delta_Sstub. Con esto confirmamos que el valor escogido tras todas las simulaciones es el óptimo, ya que permanece constante en amplitud y fase, permitiéndonos operar desde los 18 GHz hasta los 19,8 GHz. Esto se puede interpretar del siguiente modo: que la sintonización del anillo con secciones tipo C es robusta frente a errores de fabricación. Habrá que estudiar este efecto cuando se implemente un sustrato de constante dieléctrica superior con el fin de reducir el tamaño del anillo para tener además, un impacto sobre la relación axial y así poder optimizar las prestaciones de esta última. Este anillo y sus prestaciones sobre la relación axial están bajo estudio para el desarrollo y presentación dentro de una patente.
Figura 34: Efecto de la variación de Delta_Sstub sobre el módulo del parámetro S11
Figura 35: Efecto de la variación de Delta_Sstub sobre la fase del parámetro S11
❖ Efecto de la variación de Lstub:
En este caso se analiza el efecto que tiene el aumento y la reducción de Delta_Lstub en +/- 0,5 respecto al valor elegido de Delta_Lstub = 1,16. Cabe destacar que los tres resultados obtenidos son válidos tanto para la respuesta en amplitud como para la respuesta en fase. Si aumentamos el parámetro de estudio 0,5, se puede apreciar como la respuesta en amplitud tiene una variación de extremo a extremo de la banda de 5dB. Dicho valor es algo inferior para el caso de que decidiésemos reducir Delta_Lstub 0,5 y es prácticamente nulo para el valor escogido en nuestro diseño de Delta_Lstub = 1,16.
Respecto a la respuesta en fase, vemos que, en el margen de frecuencias de estudio, la respuesta en fase para el dato de partida de 1,16 y para la versión reducida a 0,66 es muy plana dentro de toda la banda. Si el valor de Delta_Lstub se aumenta a 1,66, la respuesta en fase se degrada, observando dentro de la banda unas diferencias de unos 20º.
El efecto combinado de amplitud y fase nos lleva a concluir que el valor óptimo es efectivamente el dato de 1,16. En caso de que por algún otro motivo no fuera posible mantener este valor, sería aconsejable, en cualquier caso, reducir ligeramente el radio, ya que la respuesta se degrada mucho menos que si lo aumentamos. Aunque para su implementación primero hay que definir un sustrato apropiado y realizar las tareas definidas en las líneas de trabajo futuro.
5. Diseño de antena
Figura 37: Efecto de la variación de Delta_Lstub sobre la fase del parámetro S11
❖ Efecto de la variación del ancho del resonador, w:
Por último, pasamos a estudiar el efecto que tienen las variaciones del grosor del resonador en el parámetro 𝑆11. En primer lugar, podemos apreciar que tanto aumentando como
disminuyendo 0,5 el valor de diseño de Delta_w = 1,3, obtenemos una respuesta en amplitud válida en toda la banda de interés.
En relación con la fase y observando la Figura 39, se aprecia que el resultado de aumentar el parámetro inicial en 0,5 da lugar a un resultado peor. Los resultados en fase del parámetro de diseño y su versión reducida son ambos igual de buenos. Para escoger el mejor, se tiene que analizar con más detalle el efecto del módulo de dichos valores. De esta manera, se observa que la versión reducida 0,5 es menos resonante en la banda de interés. Con esto podemos concluir de nuevo que el valor de diseño de Delta_w = 1,3 es el óptimo para nuestra banda.
Estos resultados muestran que el añillo resonante es también robusto frente a errores de fabricación en cuanto al espesor de la pista. Por otro lado, se ha obtenido una buena respuesta del elemento en amplitud y fase desde 18,5 hasta 19,7 GHz, aumentando así su ancho de banda hasta un 10% de banda.
Figura 38: Efecto de la variación de Delta_w sobre el módulo del parámetro S11
En la sección Análisis de resultados se hace una comparativa de los resultados finales obtenidos con los tres tipos de anillos planteados.